毕业设计说明书_基于plc与组态王软件三容水箱研究(编辑修改稿)

毕业设计说明书_基于plc与组态王软件三容水箱研究(编辑修改稿)内容摘要：

8) 选择菜单项 “操作 停止实验 ”，结束实验。 9) 退出程序。 10) 关闭电脑与控制箱电源。 第 4 章 PID 控制的理论基础 PID 控制原理 PID 控制器作为一种在生产过程中普遍采用的控制方法，已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID 控制，就是一种将偏差的比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量对被控对象进行控制的方法，所以称为 PID 控制。 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机取代模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软 件的方法实现 PID 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使 PID 控制算法更加灵活，这就是数字 PID 控制。 PID 控制的原理如下图所示 : 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 8 页 图 41 PID 控制原理 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 R(t)与实际输出值 C(t)构成控制偏差 : ( ) ( ) ( )e t R t C t （ 41） PID 控制规律为： ()1( ) ( ( ) ( ) )DPIT d e tu t k e t e t d tT d t   （ 42） 写成传递函数的形式： ( ) 1( ) (1 )() PDIUsG s k T sE s T s    （ 43） PID 控制器各个校正环节的作用如下 : (l)比例环节 kp:成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 比例系数的作用是加快系统的响应速度，比例系数越大，系统响应速度越快，系统的调节精度越高，但容易产生超调，甚至会导致系统的不稳定，比例系数过小，会降低系统调节精度，系统响应速度变慢，调节时间变长，系统动态、静态特性变坏。 (2)积分环节 T1:主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取 决于积分时间常数 T1， T1越大，积分作用越弱，反之越强。 积分作用过强，可能引起系统的不稳定。 (3)微分环节 TD:反映偏差信号的变化趋势 (变化速率 )，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 微分作用过强，可能引起系统的振荡。 一般的 PID 控制，就是要确定 kp、 T1和 TD 这三个参数，并在控制过程中对这三个参数进行调整，以达到最优控制。 一般来说，不同的偏差 e 和偏差变化率 ec对 PID 控制器的参数 kp、 T1和 TD 有不同的要求。 以典型二阶系统单位阶跃响应曲线和误差曲线为例进行分析如下 : 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 9 页 图 42 典型二阶系统单位阶跃响应曲线 图 43 典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线 从误差曲线可以看出 : (1)当误差 |e|较大时，说明误差的绝对值较大，不论误差的变化趋势如何，都应该考虑控制器的 kp 取较大值，以提高响应的快速性；而为防止因为 |ec|瞬时过大，TD 应该取较小的值；为控制超调 T1也应该取值很小。 (2)当误差 |e|在中等大小时，为保证系统的相应速度并控制超调， kp 应减小， T1值应增大， TD 应适中。 (3)当误差 |e|较小时，为保证系统具有良好的稳态 特性，应加大 kp、 T1的取值，同时为避免产生振荡， TD 的取值应和 |ec|联系起来。 虽然 PID 控制器有简单易懂、使用中不需精确的系统模型等先决条件的优点，但它在控制非线性、时变、藕合及参数和结构不确定的复杂过程时，控制效果并不是太好。 如果 PID 控制器运用于控制复杂过程，可能会出现无论怎样调整参数都无法达到预期的控制效果。 而且，在确定 kp、 T1 和 TD 这三个参数时，如果不采用其他相关辅助技术，一般只能采用试凑法，需要不断地进行实验，直到凑出最优参数，既浪费资源又浪费时间。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 10 页 三容水箱控制方法 如果三容水箱采用双闭环控制，其系统框架图如下 ： 图 44 双闭环控制系统框架图 一般认为，双闭环系统的抗 干 扰性能好于单闭环。 扰动作用在内环，则双环系统好于单环。 但扰动作用在外环，则双环系统抗扰性能与单环类似。 三容水箱的扰动作用主要体现在水箱三，整个系统的扰动作用在外环。 如果三容水箱采用双闭环控制，会使系统控制更加复杂， PID 控制器不好设置，数学建模过程更为繁琐，且系统维护更难操作。 如果三容水箱采用单闭环控制，其系统框架图如下： 图 45 单闭环控制系统框架图 我们的系统采用单闭环控制， PID 的参数 整定用了两种方法： ；（ 4:1 衰减比）。 感觉衰减法的衰减太慢 （如图 46） ，就用了临界比例度法。 具体方法如下： 图 46 衰减振荡图 具体方法如下： 采用临界比例度法整定 PID 控制器参数 在闭环控制系统里，首先将控制器置于纯比例作用下，从小到大逐渐增大控制安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 11 页 器的比例增益 Kp，直到出现等幅振荡曲线为止，如图： 图 47 寻找等幅振荡图 程序代码如下： G0=tf(523500,[1 10470 0])。 P=[ 1 ]。 hold on。 for i=1:length(P) G=feedback(P(i)*G0,1)。 step(G)。 grid on。 axis([0 0 2])。 end 在 kp= 时出现等幅振荡，其临界比例度 δcr 和临界振荡周期 Tcr(相邻两个波峰间的时间间隔 )可由下图 48 读出： 图 48 等幅振荡图 知 Tcr= 临界比例度为 δcr=1/ 根据所得的 Tcr 和 δcr，查下表的经验公式，可以计算出调节器的各个参数： 表 49 临界振荡经验公式 控制规律 δ(﹪ ) Ti（ s） Td(s) P 2δcr 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 12 页 PI Tcr/ PID P: δ=2/= PI: δ=, Ti=PID: δ=,Ti=*=, Td=*= 最后 “按先 P 后 I 最后 D”的操作程序将控制器整定参数调到计算值上，仿真响应曲线如图所示： P 调节代码： clear all G0=tf(523500,[1 10470 0])。 P=[]。 hold on。 for i=1:length(P) G=feedback(P(i)*G0,1)。 step(G)。 grid on。 axis([0 0 ])。 end 图 410 纯比例控制振荡曲线 然后令 kp=,Ti=,然后得到 PI 调节，其代码为： clear all G0=tf(523500,[1 10470 0])。 kp=。 Ti=[]。 t=0::20。 hold on。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 13 页 for i=1:length(Ti) Gc=tf(kp*[1,1/Ti(i)],[1,0])。 G=feedback(G0*Gc,1)。 step(G,t)。 grid on。 end axis([0 0 ])。 图 411 PI 控制振荡曲线 然后令 kp=,， Ti=， Td=；得到 PID 调节，其代码为： clear all G0=tf(523500,[1 10470 0])。 kp=。 Ti=。 Td=[]。 t=0::20。 hold on。 for i=1:length(Td) Gc=tf(kp*[Ti*Td(i),Ti,1],[Ti,0])。 G=feedback(G0*Gc,1)。 step(G,t)。 grid on。 end axis([0 0 ])。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 14 页 图 412 PID 控制振荡曲线 三者一起做比较，得到如下图： 图 413 控制曲线图 在现实应用中不可能出现纯微分动作，要经常将纯微分动作近似成一个带有惯性的微分 环节，进而得到近似 PID 控制器的传递函数为： Gc（ s） =kp*(1+1/Tis+Tds/(1+Td/N)) （在实际应用中，常取 N=10） clear all G0=tf(523500,[1 10470 0])。 kp=。 Td=。 Ti=。 N=[10]。 Gc=tf(kp*[Ti*Td,Ti,1]/Ti,[1,0])。 G=feedback(G0*Gc,1)。 step(G)。 grid on。 hold on。 i=1:length(N) i =1 nn=kp*(conv([Ti,1],[Td/N(i),1])+conv([Ti,0],[Td,0]))。 dd=conv([Ti,0],[Td/N(i),1])。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 15 页 Gc=tf(nn,dd)。 G=feedback(G0*Gc,1)。 step(G)。 grid on。 图 414 D 加惯性环节图 图 415 控制曲线图 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 16 页 第 5 章 双容水箱 在实验过程中我们发现三容水箱可以看成 2 个双容水箱，而且双容水箱与三容水箱相比较为简单，我们可以先对双容水箱进行一个简单的研究，可以更为方便地对三容水箱研究。 系统建模 图 51 双容水箱实际模型 如图 1 所示，其中 12AA 分别为水箱的底面积， 1 2 3qqq 为水流量 ， 1 2 3RRR 为阀门 3 的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有： ΔhΔq=R （ 51） 则 根据物料平衡对水箱 1 有： 11 2 1 dΔ hΔ q Δ q = A dt （ 52） 12 2ΔhΔq=R （ 53） 对水箱 2 有 ： 22 3 2 dΔ hΔ q Δ q = A dt （ 54） 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书。